輸水隧洞光面爆破試驗研究

孟 濤

（河南省水利第二工程局，鄭州 450016）

1 工程概況

馱英灌區(qū)總干渠那佳—南慶隧洞位于總干渠末端，總長12 975 m，分兩個標段施工，其中Ⅱ標段隧洞長5105 m，起始樁號為7+870，出口末端終止樁號為12+975，隧洞沿線主要構造線以近東西向為主，褶皺發(fā)育，巖層產(chǎn)狀較不穩(wěn)定，構造發(fā)育，隧洞穿過地帶主要為砂巖、泥質粉砂巖夾薄層狀泥巖，薄層狀灰?guī)r夾泥巖，微風化。本標段大多為Ⅳ圍巖，少量Ⅲ類和Ⅴ類圍巖，Ⅳ類圍巖隧洞開挖尺寸為5.25 m×4.6 m，洞身混凝土澆筑后隧洞斷面寬3.5 m，高4.3 m，縱坡為1/2000。現(xiàn)以Ⅳ類圍巖作為試驗巖層，以斜掏式和混合式爆破方式做對比，得到更加優(yōu)越的爆破方式。爆破試驗地點選在樁號12+300～12+285處，該段巖體為砂巖、泥質粉砂巖夾薄層狀泥巖，巖體完整性一般，微風化。

2 掏槽試驗方案

2.1 確認試驗數(shù)據(jù)

2.1.1 爆破器材的選用

炸藥選用2#巖石乳化炸藥，規(guī)格為Φ32 mm×350 g，雷管選用毫秒延期導爆索雷管，選用的雷管段別為1段、3段、5段、7段、9段、11段和13段，其延期時間分別為0、50、110、200、310、460、650 ms。

2.1.2 鉆孔設備和孔徑

采用YT-28 型氣腿式鑿巖機，20 m3電動空壓機，炮孔直徑D =42 mm。掏槽孔深度為3 m，周邊孔及輔助孔深度為2.8 m。

2.1.3 炮眼數(shù)量

炮眼數(shù)目的多少直接影響每一循環(huán)鑿巖工作量、爆破效果、循環(huán)進尺、隧洞成型的好壞以及爆碴塊度的大小。暫按式（1）計算炮眼數(shù)目，在施工中，需根據(jù)具體情況再作調整，以達到最佳爆破效果。

式中：q為炸藥單耗量，kg/m3；s為開挖面積m2；r為每米長度炸藥的重量，乳化炸藥r=0.85 kg/m；η 為炮眼裝藥系數(shù)，取η=0.67。

經(jīng)計算，各類圍巖相應斷面炮眼數(shù)目見表1。

圍巖類別Ⅲ類Ⅳ類Ⅴ類設計炮眼個數(shù)62 68 75設計炸藥單耗/（kg/m2）1.45 1.35 1.10斷面面積/m218.06 22.29 22.96計算炮眼個數(shù)46 53 44

2.1.4 炮孔間距和排距

周邊孔間距擬定在50～55 cm，掏槽孔間距20～30 cm，輔助孔間距和排距為80～120 cm。

2.1.5 炮眼裝藥量

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，周邊孔線裝藥密度擬定為160～250 g/m。

掏槽孔和輔助孔炮眼裝藥量可參考式（2）進行計算：

式中：Q為炮眼裝藥量，kg；η為炮眼裝藥系數(shù)，掏槽眼取0.8，輔助眼取0.5～0.7；L 為眼深，掏槽眼3.0 m，輔助眼及周邊眼2.8 m；r 為每米長度炸藥量，取0.85 kg/m。

掏槽眼裝藥量計算值為1.87 kg，取1.8 kg；輔助眼裝藥量計算值為1.31 kg，取1.3 kg。在施工中，根據(jù)具體情況再作調整，以達到最佳爆破效果。

2.1.6 最小抵抗線W

炮孔密集系數(shù)m、孔距a 和最小抵抗線W 之間的關系式m=a/W，根據(jù)以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當m=0.7～1.0時，隧洞光面爆破的效果較好。光面爆破設計參數(shù)統(tǒng)計表見表2。

當a=50 cm 時，W=a/m=50/（0.7～1.0）=70～50 cm；當a=55 cm時，W=a/m=55/（0.7～1.0）=75～55 cm

巖石堅固系數(shù)f 4～6 6～10不偶合系數(shù)k 1.6～1.8 1.4～1.6裝藥量Q/（g/m）100～200 150～250炮孔間距a/cm 0.60～0.50 0.65～0.55最小抵抗線W/m 0.55～0.45 0.55～0.45

2.2 掏槽眼設計

本文設計了6 種掏槽試驗方案，6 種布孔模式分別為單斜式、楔形式、二級楔式、二級復式楔形式、直錐式、直楔式，6種布孔模式如圖1所示。6種模式周邊孔孔數(shù)、單孔裝藥量、裝藥結構、起爆方式、鉆工人員等參數(shù)保持不變。

圖1 布孔模式

2.3 鉆爆法施工方法及工藝

鉆爆法施工工藝流程：測量放線→鉆孔→裝炸藥及布線→放炮散煙→撬挖（處理危石和局部欠挖）→出渣運輸（見圖2）。采用氣腿式風鉆鉆孔，毫秒微差爆破，對斷層等Ⅴ類圍巖地帶采用弱爆破、短進尺等措施，以確保施工安全。

圖2 鉆爆作業(yè)施工工藝流程圖

3 鉆爆試驗

根據(jù)相同的裝藥量，鉆爆孔深、孔數(shù)、排距、角度按爆破設計要求確定，并符合精度要求。鉆孔由專業(yè)鉆孔工承擔，操作工要嚴格按照鉆爆設計圖進行鉆孔作業(yè)，特別是周邊眼和掏槽眼位置、間距和數(shù)量，不得隨意改動。各鉆手分區(qū)、分部位定人定位施鉆，實行嚴格的鉆手作業(yè)質量經(jīng)濟責任制。炮眼要“準、平、齊”：①“準”是指炮眼位置要準，周邊眼口全部在設計輪廓線內5 cm的連線上，眼底全部在設計較廓線外5 cm的連線上終止，炮眼定位誤差不能超過10 cm；②“平”要求炮眼方向和隧道中線平行，兩側邊墻要順幫水平打眼，各排炮相同位置的炮眼平行，爆破后各排同位炮眼連成一條線；③“齊”，主要是眼底要齊，要在一個垂面上，才能保證良好的爆破效果。鉆眼完畢，高壓風將炮眼內的泥漿、存水、石粉吹洗干凈，按炮眼布置圖進行檢查，并做好記錄，經(jīng)檢查合格后方可裝藥。分片分組按炮眼設計圖確定的裝藥量自上而下裝藥，雷管“對號入座”。

采用復式起爆網(wǎng)絡，以保證起爆的可靠性和準確性，導爆管不能打結和拉細，引爆雷管用電膠布包扎在導爆管自由端10 cm以上處，網(wǎng)路聯(lián)好后，專人負責檢查，人員撤至安全地點，用FB-500型起爆器擊發(fā)起爆雷管起爆。

4 爆破效果分析

試驗按選擇的參數(shù)共分6組，爆破效果見表3。

試驗組別孔數(shù) 排距/m總裝藥量/kg循環(huán)進尺/m循環(huán)進尺時間/h 半孔保存率單斜式27 24 0.8炮孔類型周邊孔輔助孔掏槽孔底孔周邊孔輔助孔掏槽孔底孔周邊孔輔助孔掏槽孔底孔周邊孔輔助孔掏槽孔底孔周邊孔輔助孔掏槽孔底孔周邊孔輔助孔掏槽孔底孔孔深/m 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 2.8 2.8 3.0 3.0 3 7 27總裝藥量70 kg。周邊孔線裝藥密度210～270 kg/m。1.8 3.3半孔保存率約22%頂部局部掉塊，周邊孔首端存在掛孔現(xiàn)象。楔形式24 6 7 27 0.8 0.30總裝藥量76.3 kg。周邊孔線裝藥密度210～270 kg/m。2.2 3.5半孔保存率約26%頂部局部掉塊。二級楔形式0.8 0.30總裝藥量88.2 kg。周邊孔線裝藥密度210～270 kg/m。2.8 4.0半孔保存率約35%頂部局部掉塊。二級復式楔形式0.8 0.30總裝藥量88.2 kg。周邊孔線裝藥密度210～270 kg/m。2.6 4.0半孔保存率約35%，頂部局部掉塊。直錐形式0.8 0.30總裝藥量72.45 kg。周邊孔線裝藥密度210 ～270 kg/m。2.5 4.2半孔保存率約32%，頂部局部掉塊。直楔形式24 12 7 27 24 12 7 27 24 10 7 27 24 10 7間距/m 0.5 0.8～1.0 0.5 0.8 0.50 0.8～1.0 2.4 0.8 0.50 0.8～1.0 2.2 0.8 0.50 0.8～1.0 2.2 0.8 0.50 0.8～1.0 0.3 0.8 0.50 0.8～1.0 0.3 0.8 0.8 0.30單孔藥量/kg 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5 0.45～0.6 1.2～1.5 2.1 1.5總裝藥量72.45 kg。周邊孔線裝藥密度210～270 kg/m。2.5 3.8半孔保存率約32%，頂部局部掉塊。

從爆破試驗結果來看，單次循環(huán)進尺距離長、時間短的經(jīng)濟效益為最優(yōu)。由表3可知單次循環(huán)進尺2.8 m，循環(huán)進尺時間4 h 的二級楔形式經(jīng)濟效果最佳。因巖層水平分層、薄層狀、頂部掉塊，半孔保存率普遍較低，其中35%為最優(yōu)半孔率。

5 結語

（1）控制掏槽孔的部位、角度和深度是掏槽能否成功的關鍵，是提高隧洞爆破每循環(huán)進尺、降低炸藥單耗的關鍵工藝。

（2）隧洞開挖不允許欠挖，提高周邊孔的畫線、打孔精度，合理精準地確定周邊孔的爆破參數(shù)可以減少不必要的超挖，將超挖控制在規(guī)定的范圍內。

（3）根據(jù)隧洞掌子面巖層的實際情況，及時調整輔助孔的間距和數(shù)量，可以獲得最佳爆破效果。

（4）頂部的周邊孔可以采用多發(fā)雷管間隔裝藥，這樣可以減小周邊孔的裝藥集中度，從而減小爆破對頂部巖壁的影響，避免掛孔現(xiàn)象和二次爆破，嚴格控制裝藥質量，杜絕隨意性，防雷管、炸藥段位混裝。

（5）施工開鉆前，先檢查掌子面安全狀況，清理掉松動的危石，確認安全后方能開始鉆孔作業(yè)，必要時先對掌子面頂部素噴砼處理再鉆孔作業(yè)。安全、穩(wěn)定的施工環(huán)境才是質量進度經(jīng)濟效益的前提保障。

（6）本文對不同類型掏槽模式的研究，僅依據(jù)現(xiàn)場試驗得到的結論，存在一定的局限性。受現(xiàn)場試驗條件限制，未能對其他模式做試驗對比。其后續(xù)研究能通過數(shù)字模擬方式，進一步驗證現(xiàn)場試驗成果。